一种适用于多种试样的III复合疲劳断裂试验装置及方法

技术领域

本发明属于材料力学试验测试技术领域，具体涉及一种适用于多种试样的I&II复合疲劳断裂试验装置及方法。

背景技术

断裂或疲劳裂纹扩展是材料在应用过程中最常发生的失效形式。工程构件或机械零件中不可避免地存在微裂纹、孔洞、夹杂物等原始缺陷。这些缺陷往往取向随机，在单轴或多轴外力和边界约束下周围应力场可能会同时存在I型和II型应力状态，面临发生复合模式断裂或疲劳破坏的风险。因此，研究材料在I&II型复合模式下的断裂行为和疲劳裂纹扩展行为是结构完整性分析和损伤容限评估的重要内容。

研究人员一直致力于在实验室中复现这些材料行为过程，开发出一系列不同的试样和夹具形式，包括紧凑拉伸剪切(CTS)形式、加强型CTS形式、改进的CTS(MCTS)形式、Arcan形式等等。这些装置均可在试样裂纹尖端实现定量变化的I型和II型复合模式组合占比；通过施加准静态载荷开展断裂试验，可以测定I&II型复合模式下的启裂断裂韧性和阻力曲线；通过施加循环载荷开展疲劳裂纹扩展试验，可以测定I&II型复合模式下的门槛值ΔKth和扩展速率da/dN-ΔK曲线。

但是，由于试验材料、试样形式和几何尺寸等因素的多样性和复杂性，上述试验方法所得研究结论并不统一，也尚未发展出统一的I&II型复合模式断裂和疲劳裂纹扩展试验标准。而装置的开发是实现试验流程标准化的首要前提。通常在试验装置中，不同的试样形式往往需要单独设计相匹配的夹具；即使形式相同，为了研究约束效应的影响试样被加工成不同几何尺寸，同样也需要加工相应的夹具，大大增加了试验成本；并且考虑到开展准静态断裂试验所需的力往往若干倍于疲劳裂纹扩展试验，此时试样和夹具需要进一步加强以承受高幅值载荷，这意味着试验方案的改变同样会对夹具的设计提出不同的要求。

综上所述，亟需提出一套完善的试验装置及方法，满足不同的试验方案(断裂试验和疲劳裂纹扩展试验)要求，适用于不同的试样形式(CTS、加强型CTS、MCTS和Arcan等)和几何尺寸(例如不同试样厚度)，为实现I&II型复合模式试验流程的标准化提供一种新的解决方法和思路。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种适用于多种试样的I&II复合疲劳断裂试验装置及方法。

本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：

一种适用于多种试样的I&II复合疲劳断裂试验装置，其特征在于：包括一对U形钩、一对扇形夹具、辅助夹块及定位螺栓，所述U形钩的尾部设置有夹持段，所述夹持段与试验机夹头配合，所述U形钩的头部通过穿装通孔的加载销连接所述扇形夹具，所述扇形夹具内通过定位螺栓固定安装辅助夹块，一对所述扇形夹具之间通过辅助夹块夹持试样；

所述扇形夹具一体设置分为第一厚度段、第二厚度段及过渡段，所述第一厚度段上开有五个常规通孔，所述第二厚度段上开设有三对特殊通孔，所述过渡段上开设有一个异形通孔，所述常规通孔、异形通孔及特殊通孔的直径相同且中心点分布在同一圆周上，所述常规通孔、异形通孔及特殊通孔两两之间角度间隔为15°，所述第二厚度段上设置有COD规开槽，所述COD规开槽内放置COD规，所述扇形夹具第一厚度段下方设置有试样卡槽，所述试样卡槽内设置有定位螺纹孔，所述定位螺纹孔内通过定位螺栓安装辅助夹块。

而且，所述U形钩包括窄距U形钩及宽距U形钩，所述窄距U形钩的尾部设置有窄距夹持段，所述窄距U形钩的头部通过穿装通孔的窄距加载销连接所述扇形夹具；所述宽距U形钩的尾部设置有宽距夹持段，所述宽距U形钩的头部通过穿装通孔的宽距加载销连接所述扇形夹具。

而且，所述试样包括CTS试样、加强型CTS试样、MCTS试样及Arcan试样，CTS试样、加强型CTS试样、MCTS试样及Arcan试样的中部均设有贯穿厚度的单边缺口，所述单边缺口外端设有梯形的内置刀口用以架设COD规；CTS试样两端各设有三个连接销孔为一排；加强型CTS试样两端外侧在CTS试样的基础上各加设了两个加强销孔，且销孔周围厚度加厚；MCTS试样两端加宽，且每端三个连接销孔呈三角形排布；Arcan试样宽度上在试样中部存在渐变收缩，整体类似蝴蝶形，两端连接销孔为三个一排。

而且，所述辅助夹块包括CTS辅助夹块、MCTS辅助夹块及Arcan辅助夹块，CTS辅助夹块、MCTS辅助夹块及Arcan辅助夹块轮廓大小相同，CTS辅助夹块通过CTS连接螺栓组合CTS试样使用，或通过CTS连接螺栓和加强螺栓组合加强型CTS试样使用；MCTS辅助夹块通过MCTS连接螺栓组合MCTS试样使用；Arcan辅助夹块通过Arcan连接螺栓组合Arcan试样使用。

一种适用于多种试样的I&II复合疲劳断裂试验方法，其特征在于：所述方法的步骤为：

S1，执行试样组件的组装：

将辅助夹块上的所有通孔与试样两端的连接销孔全部对齐，试样两端各分配两个辅助夹块，使辅助夹块贴紧试样的前后表面，随后通过六个连接螺栓将上述辅助夹块及试样紧固，形成试样组件；

S2、执行试样组件与扇形夹具的组装和对中：将试样组件两端分别填入一对扇形夹具的试样卡槽，每个试样卡槽将试样组件中一端的两个辅助夹块抓握住，此时试样组件和一对扇形夹具整体形成一个大致的圆盘；在试样卡槽两侧的一对定位螺纹孔各旋入一根定位螺栓，将试样组件的一端加紧在试样卡槽之中，从而使其与同端的扇形夹具保持固定，另一端亦如是操作；通过调整四根定位螺栓各自的旋入长度，使试样组件厚度中平面与两个扇形夹具的厚度中平面三者共面，从而完成对中操作；

S3、执行试验装置与万能试验机的整体装配：

①开展45°、60°、75°或90°加载角下的I&II型复合断裂和疲劳裂纹扩展试验：首先操作试验机上下夹头分别夹持住一对窄距U形钩尾部的窄距夹持段，须控制操作过程使两个窄距U形钩头部的通孔中轴线相互平行；随后将S2中组装完成的部件整体通过一对窄距加载销分别与上下窄距U形钩相连接，使试样裂纹行为表现为纯I型(90°)或I&II型复合(45°、60°和75°)；

②开展30°、15°或0°加载角下的I&II型复合断裂和疲劳裂纹扩展试验：首先操作试验机上下夹头分别夹持住一对宽距U形钩尾部的宽距夹持段，过程控制两个宽距U形钩头部的通孔中轴线相互平行；随后将S2中组装完成的部件整体通过一对宽距加载销分别与上下宽距U形钩相连接，使试样裂纹行为表现为纯II型(0°)或I&II型复合(15°和30°)；

S4、将COD规夹脚与试样的内置刀口相配合，COD规的尾部和信号线被放置在COD规开槽的空间中，试验机对试验装置施加准静态载荷开展断裂试验，可以测定I&II型复合模式下的启裂韧性和J-R曲线；通过施加循环载荷开展疲劳裂纹扩展试验，测定I&II型复合模式下的门槛值ΔK

本发明的优点和有益效果为：

1、本发明的适用于多种试样的I&II复合疲劳断裂试验装置，结构设计巧妙，装配操作快速高效。

2、本发明采用模块化设计，通过更换不同的辅助夹块，可以使一套试验装置适配不同类型的试样，除本专利所涉及的四种试样类型，本发明还为开发和使用其它非标试样提供便利。

3、本发明采用扇形夹具卡槽的开放设计，便于更换不同厚度的试样以研究面外约束对断裂行为和疲劳裂纹扩展行为的影响。同时试验装置主体相同，减少了不同试验间的误差引入。

4、本发明克服了常规流程中为开展不同试验须更换试验装置的弊端，有利于减少材料消耗提高经济性。

5、本发明可用于开展I&II型复合疲劳裂纹扩展试验；通过对辅助夹块和试样进行加强设计，同样适合开展高载荷水平的I&II型复合断裂试验。

附图说明

图1为三种不同视角下窄距U形钩的结构示意图；

图2为两种不同视角下宽距U形钩的结构示意图；

图3为三种不同视角下扇形夹具的结构示意图；

图4为四种不同形式试样的结构示意图(从上到下依次为CTS试样、加强型CTS试样、MCTS试样和Arcan试样)；

图5为三种不同辅助夹块的结构示意图(从上到下依次为CTS辅助夹块、MCTS辅助夹块和Arcan辅助夹块)；

图6为四种不同试样组件的结构示意图(从上到下依次为CTS试样组件、加强型CTS试样组件、MCTS试样组件和Arcan试样组件)；

图7为COD规的外形示意图；

图8为三种不同视角下加装加强型CTS试样组件的试验装置装配示意图(45°加载)；

图9为两种不同视角下加强型CTS试样组件的试验装置装配示意图(0°加载)；

图10为不同试样组件的更换示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

本发明目的在于针对当前I&II型复合断裂和疲劳裂纹扩展试验中存在的装置通用性差，经济性差等缺陷和不足，提出一种新的、适用于多种形式和尺寸试样的试验装置及使用方法。在本实施例的实施方式中，将以使用加强型CTS试样开展45°和0°两种角度的复合加载为主要案例，对具体的装置结构和应用流程展开详细阐释：

本实施例的图1～10涉及到的部件标号如下表：

对于开展45°加载的I&II型复合断裂和疲劳裂纹扩展试验，所需装置零部件包括：一对窄距U形钩[10]、一对窄距加载销[12]、一对扇形夹具[30]、加强型CTS试样[50]、四个CTS辅助夹块[41]、四根定位螺栓[80]，以及六根CTS连接螺栓[42]和四根加强螺栓[51]。

图1给出了单个窄距U形钩[10]的结构示意，子图(a)、(b)、(c)表示同一零件的三种不同视角；其头部开有通孔，尾部设有窄距夹持段[11]。

图3给出了扇形夹具[30]的结构示意，子图(a)、(b)、(c)表示同一零件的三种不同视角；作为试验装置的主体部件，扇形夹具[30]整体为扇形板件，在厚度上存在过渡变化；其上开有五个常规通孔[31]，一个异形通孔[32]和三对特殊通孔[33]，三类通孔直径相同，中心点分布在同一圆周上；0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°标识的指示含义为，开展任一加载角度的试验时，需使用扇形夹具[30]上的对应通孔，其中0°表示开展纯II型加载，90°表示开展纯I型加载，其它均表示不同I型和II型组合占比的复合加载；特别说明，开展45°加载试验需使用45°标识对应的常规通孔[31]；开设了COD规开槽[36]，为COD规[90]的放置留出足够的空间；设有试样卡槽[35]，其边缘有一对定位螺纹孔[34]，投影为三分之二圆。

图4给出了四种不同形式试样的结构示意，本例所需为加强型CTS试样[50]，其中部均设有贯穿厚度的单边缺口，缺口外端设有梯形的内置刀口，用以架设COD规[90]；两端外侧在CTS试样[40]的基础上各加设了两个加强销孔，且销孔周围厚度加厚，防止该处在高幅值加载下发生撕裂，适合开展断裂试验；为研究面外约束效应的影响，其厚度可以在一定范围内变化，当前试验装置均可针对各自情形作适应性调整。

图5给出了三种不同辅助夹块的结构示意，本例所需为四个CTS辅助夹块[41]，通过六根CTS连接螺栓[42]和四根加强螺栓[51]组合加强型CTS试样[50]使用，形成加强型CTS试样组件。具体组装过程为：首先将四个CTS辅助夹块[41]上的所有通孔与加强型CTS试样[50]两端的连接销孔全部对齐；加强型CTS试样[50]两端各分配两个CTS辅助夹块[41]，使后者分别贴紧试样的前后表面，随后通过六个CTS连接螺栓[42]和四个加强螺栓[51]将上述五个零件紧固在一起，形成加强型CTS试样组件，组合效果如图6所示。

图8给出了45°加载下，试验装置的整体装配示意，子图(a)、(b)、(c)表示该装配体的三种不同视角；加强型CTS试样组件(图6)每端由两个定位螺栓[80]与定位螺纹孔[34]配合后，固定在扇形夹具[30]的试样卡槽[35]中；两端各配合一个扇形夹具[30]，整体构成一个大致的圆盘；通过调整四根定位螺栓[80]各自的旋入长度，使试样厚度中平面与两个扇形夹具[30]的厚度中平面三者共面；操作试验机上下夹头分别夹持住一对窄距U形钩[10]尾端的窄距夹持段[11]，为了实现良好对中效果，须控制操作过程使两个窄距U形钩[10]头部的通孔中轴线相互平行；随后将上述组装完成的圆盘部件整体通过一对窄距加载销[12]分别与上下窄距U形钩[10]相连接，以45°加载为例，具体为将扇形夹具[30]上45°常规通孔[31]深入窄距U形钩[10]内槽中与其通孔平齐，插入窄距加载销[12]使这些孔被串联起来；特别注意的是，上下窄距U形钩[10]应同时与两个扇形夹具[30]上的45°常规通孔[31]相配合，才能实现45°加载，须避免错配；如需架设COD规[90](大致外形见图7示意)测量试验过程中的COD数据，可将COD规[90]的夹脚与加强型CTS试样[50]的内置刀口相配合，COD规[90]的尾部和信号线(未画出)被放置在COD规开槽[36]的空间中。

随后开展正式试验方案，通过试验机向试验装置施加准静态载荷开展断裂试验，可以测定I&II型复合模式下的启裂韧性和J-R曲线等；施加循环载荷开展疲劳裂纹扩展试验，可以测定I&II型复合模式下的门槛值ΔK

对于开展0°加载的I&II型复合断裂和疲劳裂纹扩展试验，所需装置零部件包括：一对宽距U形钩[20]、一对宽距加载销[22]、一对扇形夹具[30]、加强型CTS试样[50]、四个CTS辅助夹块[41]、四根定位螺栓[80]，以及六根CTS连接螺栓[42]和四根加强螺栓[51]。与开展0°加载所需的零部件的区别仅在于，更换窄距U形钩[10]和窄距加载销[12]为宽距U形钩[20]和宽距加载销[22]。

图2给出了单个宽距U形钩[20]的结构示意，子图(a)和(b)表示同一零件的两种不同视角；其头部开有通孔，尾部设有窄距夹持段[21]。扇形夹具[30]、加强型CTS试样[50]、CTS辅助夹块[41]和加强型CTS试样组件的结构分别见图3、图4、图5和图6；相互间的组合或装配方式也如45°复合加载的实施例一致。区别仅在于具体操作过程中应使试验机上下夹头分别夹持住一对宽距U形钩[20]尾端的宽距夹持段[21]；为了实现良好对中效果，须控制操作过程使两个宽距U形钩[20]头部的通孔中轴线相互平行；随后将组装好的圆盘部件整体(包括一对扇形夹具[30]、加强型CTS试样组件和四根定位螺栓[80])通过一对宽距加载销[22]分别与上下宽距U形钩[20]相连接；特别注意的是，上下宽距U形钩[20]应同时与两个扇形夹具[30]上的0°对应的特殊通孔[33]相配合，才能实现0°加载。

本发明提出的试验装置部件简单精巧，使用方法简单高效；采用模块化设计，通过更换不同的辅助夹块，可以使一套试验装置适配不同形式的试样，除实施例所涉及的加强型CTS试样[50]，如图10所示，本装置还可应用于测试CTS试样[40]、MCTS试样[60]和Arcan试样[70]，同时为开发和使用其它非标试样提供便利；采用了扇形夹具卡槽的开放设计，便于更换不同厚度的试样以研究面外约束对断裂行为和疲劳裂纹扩展行为的影响，同时试验装置主体相同，减少了不同试验间的误差引入；装置能够满足I&II型复合疲劳裂纹扩展试验和I&II型复合断裂试验的多种需求；本发明克服了常规流程中为开展不同试验须更换试验装置的弊端，有利于减少材料消耗提高经济性。

尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。